KR20240004291A

KR20240004291A - 극저온냉동기 및 극저온냉동기의 운전방법

Info

Publication number: KR20240004291A
Application number: KR1020237034612A
Authority: KR
Inventors: 타카유키 요코도
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2024-01-11
Also published as: CN117222854A; EP4332460A1; WO2022230770A1; JPWO2022230770A1; US20240060689A1

Abstract

극저온냉동기(10)는, 초기온도로부터 극저온으로 냉각하는 초기냉각과, 초기냉각에 후속하여 극저온을 유지하는 정상운전을 실행 가능한 팽창기(14)와, 팽창기(14)에 접속되어, 팽창기(14)에 흡기되는 작동가스가 흐르는 고압라인(63)과, 팽창기(14)에 접속되어, 팽창기(14)로부터 배기되는 작동가스가 흐르는 저압라인(64)과, 고압라인(63)의 압력을 측정하는 제1 압력센서(54)와, 작동가스를 저류하는 버퍼용적(70)과, 버퍼용적(70)을 저압라인(64)에 접속하는 공급밸브(72)와, 초기냉각 도중에, 제1 압력센서(54)에 의하여 측정된 고압라인(63)의 압력에 근거하여, 고압라인(63)의 압력을 미리 설정한 적정압력범위로 유지하도록 공급밸브(72)를 제어하는 컨트롤러(110)를 구비한다.

Description

극저온냉동기 및 극저온냉동기의 운전방법

본 발명은, 극저온냉동기 및 극저온냉동기의 운전방법에 관한 것이다.

극저온냉동기는, 극저온환경에서 사용되는 초전도기기, 측정기기, 시료 등 다양한 대상물을 냉각하기 위하여 이용되고 있다. 극저온냉동기로 대상물을 냉각하려면, 먼저, 극저온냉동기를 기동하여, 실온 등 초기온도로부터 목적의 극저온까지 극저온냉동기를 냉각해야 한다. 이와 같은 극저온냉동기의 초기냉각은 쿨다운이라고도 칭해진다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 특개평11-257768호

극저온냉동기로 대상물을 냉각하려면, 먼저, 극저온냉동기를 기동하여, 실온 등 초기온도로부터 목적의 극저온까지 극저온냉동기를 냉각해야 한다. 이와 같은 극저온냉동기의 초기냉각은 쿨다운이라고도 칭해진다. 초기냉각은 대상물의 냉각을 시작하기 위한 준비에 지나지 않기 때문에, 그 소요시간은 가능한 한 짧은 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태의 예시적인 목적 중 하나는, 극저온냉동기의 초기냉각시간을 단축하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 극저온냉동기는, 초기온도로부터 극저온으로 냉각하는 초기냉각과, 초기냉각에 후속하여 극저온을 유지하는 정상운전을 실행 가능한 팽창기와, 팽창기에 접속되며, 팽창기에 흡기되는 작동가스가 흐르는 고압라인과, 팽창기에 접속되며, 팽창기로부터 배기되는 작동가스가 흐르는 저압라인과, 고압라인의 압력을 측정하는 압력센서와, 작동가스를 저류하는 버퍼용적과, 버퍼용적을 저압라인에 접속하는 공급밸브와, 초기냉각 도중에, 압력센서에 의하여 측정된 고압라인의 압력에 근거하여, 고압라인의 압력을 미리 설정한 적정압력범위로 유지하도록 공급밸브를 제어하는 컨트롤러를 구비한다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 극저온냉동기의 운전방법이 제공된다. 극저온냉동기는, 팽창기와, 팽창기에 접속되며, 팽창기에 흡기되는 작동가스가 흐르는 고압라인과, 팽창기에 접속되며, 팽창기로부터 배기되는 작동가스가 흐르는 저압라인과, 고압라인의 압력을 측정하는 압력센서와, 작동가스를 저류하는 버퍼용적과, 버퍼용적을 저압라인에 접속하는 공급밸브를 구비한다. 본 방법은, 팽창기를 초기온도로부터 극저온으로 냉각하는 초기냉각을 실행하는 것과, 초기냉각에 후속하여 팽창기를 극저온으로 유지하는 정상운전을 실행하는 것을 구비한다. 공급밸브는, 초기냉각 도중에, 압력센서에 의하여 측정된 고압라인의 압력에 근거하여, 고압라인의 압력을 미리 설정한 적정압력범위로 유지하도록 제어된다.

다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 극저온냉동기의 초기냉각시간을 단축할 수 있다.

도 1은 실시형태에 관한 극저온냉동기를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는 실시형태에 관한 극저온냉동기를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 3은 실시형태에 관한 극저온냉동기의 제어방법을 설명하는 플로차트이다.
도 4는 실시형태에 관한 극저온냉동기의 제어방법을 설명하는 플로차트이다.
도 5는 실시형태에 관하여, 극저온냉동기의 운전 중의 온도와 압력의 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6의 (A) 및 도 6의 (B)는, 실시형태에 관하여, 극저온냉동기의 운전 중의 압력의 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시형태에 관하여, 극저온냉동기의 운전 중의 온도와 압력의 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시형태에 관한 극저온냉동기를 개략적으로 나타내는 도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 설명 및 도면에 있어서 동일 또는 동등한 구성요소, 부재, 처리에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 적절히 생략한다. 도시되는 각부(各部)의 축척이나 형상은, 설명을 용이하게 하기 위하여 편의적으로 설정되어 있으며, 특별히 언급이 없는 한 한정적으로 해석되는 것은 아니다. 실시형태는 예시이며, 본 발명의 범위를 결코 한정하는 것은 아니다. 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 한정되지 않는다.

도 1 및 도 2는, 실시형태에 관한 극저온냉동기(10)를 개략적으로 나타내는 도이다. 극저온냉동기(10)는, 일례로서, 2단식의 기포드·맥마흔(Gifford-McMahon; GM) 냉동기이다. 도 1에는, 극저온냉동기(10)를 구성하는 압축기(12)와 팽창기(14)가 제어장치(100)와 함께 모식적으로 나타나고, 도 2에는, 극저온냉동기(10)의 팽창기(14)의 내부구조가 나타난다.

압축기(12)는, 극저온냉동기(10)의 작동가스를 팽창기(14)로부터 회수하고, 회수한 작동가스를 승압하여, 다시 작동가스를 팽창기(14)에 공급하도록 구성되어 있다. 압축기(12)와 팽창기(14)에 의하여 극저온냉동기(10)의 냉동사이클이 구성되고, 그로써 극저온냉동기(10)는 원하는 극저온냉각을 제공할 수 있다. 팽창기(14)는, 콜드헤드라고도 칭해진다. 작동가스는, 냉매가스라고도 칭해지며, 통상은 헬륨가스이지만, 적절한 다른 가스가 이용되어도 된다. 이해를 위하여, 작동가스가 흐르는 방향을 도 1에 화살표로 나타낸다.

다만, 일반적으로, 압축기(12)로부터 팽창기(14)에 공급되는 작동가스의 압력과, 팽창기(14)로부터 압축기(12)에 회수되는 작동가스의 압력은, 모두 대기압보다 상당히 높아, 각각 제1 고압 및 제2 고압이라고 부를 수 있다. 설명의 편의상, 제1 고압 및 제2 고압은 각각 간단히 고압 및 저압이라고도 불린다. 전형적으로는, 고압은 예를 들면 2~3MPa이다. 저압은 예를 들면 0.5~1.5MPa이고, 예를 들면 약 0.8MPa이다. 이해를 위하여, 작동가스가 흐르는 방향을 화살표로 나타낸다.

팽창기(14)는, 냉동기실린더(16)와, 디스플레이서조립체(18)를 구비한다. 냉동기실린더(16)는, 디스플레이서조립체(18)의 직선왕복운동을 가이드함과 함께, 디스플레이서조립체(18)와의 사이에 작동가스의 팽창실(32, 34)을 형성한다. 또, 팽창기(14)는, 팽창실로의 작동가스의 흡기개시타이밍 및 팽창실로부터의 작동가스의 배기개시타이밍을 정하는 압력전환밸브(40)를 구비한다.

본서에서는, 극저온냉동기(10)의 구성요소 간의 위치관계를 설명하기 위하여, 편의상, 디스플레이서의 축방향 왕복이동의 상사점에 가까운 측을 "상", 하사점에 가까운 측을 "하"라고 표기하는 것으로 한다. 상사점은 팽창공간의 용적이 최대가 되는 디스플레이서의 위치이고, 하사점은 팽창공간의 용적이 최소가 되는 디스플레이서의 위치이다. 극저온냉동기(10)의 운전 시에는 축방향 상방으로부터 하방으로 온도가 내려가는 온도구배가 발생하므로, 상측을 고온측, 하측을 저온측이라고 부를 수도 있다.

냉동기실린더(16)는, 제1 실린더(16a), 제2 실린더(16b)를 갖는다. 제1 실린더(16a)와 제2 실린더(16b)는, 일례로서, 원통형상을 갖는 부재이며, 제2 실린더(16b)가 제1 실린더(16a)보다 소경이다. 제1 실린더(16a)와 제2 실린더(16b)는 동축으로 배치되고, 제1 실린더(16a)의 하단이 제2 실린더(16b)의 상단에 강하게 연결되어 있다.

디스플레이서조립체(18)는, 서로 연결된 제1 디스플레이서(18a)와 제2 디스플레이서(18b)를 구비하고, 이들은 일체로 이동한다. 제1 디스플레이서(18a)와 제2 디스플레이서(18b)는, 일례로서, 원통형상을 갖는 부재이며, 제2 디스플레이서(18b)가 제1 디스플레이서(18a)보다 소경이다. 제1 디스플레이서(18a)와 제2 디스플레이서(18b)는 동축으로 배치되어 있다.

제1 디스플레이서(18a)는, 제1 실린더(16a)에 수용되고, 제2 디스플레이서(18b)는, 제2 실린더(16b)에 수용되어 있다. 제1 디스플레이서(18a)는, 제1 실린더(16a)를 따라 축방향으로 왕복이동 가능하고, 제2 디스플레이서(18b)는, 제2 실린더(16b)를 따라 축방향으로 왕복이동 가능하다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 디스플레이서(18a)는, 제1 축랭기(26)를 수용한다. 제1 축랭기(26)는, 제1 디스플레이서(18a)의 통상의 본체부 내에, 예를 들면 구리 등의 그물망 또는 그 외 적절한 제1 축랭재를 충전함으로써 형성되어 있다. 제1 디스플레이서(18a)의 상덮개부 및 하덮개부는 제1 디스플레이서(18a)의 본체부와는 별도의 부재로서 제공되어도 되고, 제1 디스플레이서(18a)의 상덮개부 및 하덮개부는, 체결, 용접 등 적절한 수단으로 본체에 고정되며, 그로써 제1 축랭재가 제1 디스플레이서(18a)에 수용되어도 된다.

동일하게, 제2 디스플레이서(18b)는, 제2 축랭기(28)를 수용한다. 제2 축랭기(28)는, 제2 디스플레이서(18b)의 통상의 본체부 내에, 예를 들면 비스무트 등의 비자성 축랭재, HoCu₂등의 자성 축랭재, 또는 그 외 적절한 제2 축랭재를 충전함으로써 형성되어 있다. 제2 축랭재는 입상(粒狀)으로 성형되어 있어도 된다. 제2 디스플레이서(18b)의 상덮개부 및 하덮개부는 제2 디스플레이서(18b)의 본체부와는 별도의 부재로서 제공되어도 되고, 제2 디스플레이서(18b)의 상덮개부의 하덮개부는, 체결, 용접 등 적절한 수단으로 본체에 고정되며, 그로써 제2 축랭재가 제2 디스플레이서(18b)에 수용되어도 된다.

디스플레이서조립체(18)는, 실온실(30), 제1 팽창실(32), 제2 팽창실(34)을 냉동기실린더(16)의 내부에 형성한다. 극저온냉동기(10)에 의하여 냉각해야 할 원하는 물체 또는 매체와의 열교환을 위하여, 팽창기(14)는, 제1 냉각스테이지(33)와 제2 냉각스테이지(35)를 구비한다. 실온실(30)은, 제1 디스플레이서(18a)의 상덮개부와 제1 실린더(16a)의 상부의 사이에 형성된다. 제1 팽창실(32)은, 제1 디스플레이서(18a)의 하덮개부와 제1 냉각스테이지(33)의 사이에 형성된다. 제2 팽창실(34)은, 제2 디스플레이서(18b)의 하덮개부와 제2 냉각스테이지(35)의 사이에 형성된다. 제1 냉각스테이지(33)는, 제1 팽창실(32)을 둘러싸도록 제1 실린더(16a)의 하부에 고착되고, 제2 냉각스테이지(35)는, 제2 팽창실(34)을 둘러싸도록 제2 실린더(16b)의 하부에 고착되어 있다.

제1 축랭기(26)는, 제1 디스플레이서(18a)의 상덮개부에 형성된 작동가스유로(36a)를 통하여 실온실(30)에 접속되고, 제1 디스플레이서(18a)의 하덮개부에 형성된 작동가스유로(36b)를 통하여 제1 팽창실(32)에 접속되어 있다. 제2 축랭기(28)는, 제1 디스플레이서(18a)의 하덮개부로부터 제2 디스플레이서(18b)의 상덮개부에 형성된 작동가스유로(36c)를 통하여 제1 축랭기(26)에 접속되어 있다. 또, 제2 축랭기(28)는, 제2 디스플레이서(18b)의 하덮개부에 형성된 작동가스유로(36d)를 통하여 제2 팽창실(34)에 접속되어 있다.

제1 팽창실(32), 제2 팽창실(34)과 실온실(30)의 사이의 작동가스흐름이, 냉동기실린더(16)와 디스플레이서조립체(18)의 사이의 클리어런스가 아닌, 제1 축랭기(26), 제2 축랭기(28)로 유도되도록 하기 위하여, 제1 시일(38a), 제2 시일(38b)이 마련되어 있어도 된다. 제1 시일(38a)은, 제1 디스플레이서(18a)와 제1 실린더(16a)의 사이에 배치되도록 제1 디스플레이서(18a)의 상덮개부에 장착되어도 된다. 제2 시일(38b)은, 제2 디스플레이서(18b)와 제2 실린더(16b)의 사이에 배치되도록 제2 디스플레이서(18b)의 상덮개부에 장착되어도 된다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 팽창기(14)는, 압력전환밸브(40)를 수용하는 냉동기하우징(20)을 구비한다. 냉동기하우징(20)은, 냉동기실린더(16)와 결합되고, 그로써, 압력전환밸브(40) 및 디스플레이서조립체(18)를 수용하는 기밀용기가 구성된다.

압력전환밸브(40)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 고압밸브(40a)와 저압밸브(40b)를 구비하고, 냉동기실린더(16) 내에 주기적 압력변동을 발생시키도록 구성되어 있다. 압축기(12)의 작동가스토출구가 고압밸브(40a)를 개재하여 실온실(30)에 접속되고, 압축기(12)의 작동가스흡입구가 저압밸브(40b)를 개재하여 실온실(30)에 접속되어 있다. 고압밸브(40a)와 저압밸브(40b)는, 선택적으로 또한 교대로 개폐하도록(즉, 일방이 열려 있을 때 타방이 닫히도록) 구성되어 있다.

압력전환밸브(40)는, 로터리밸브의 형식을 취해도 된다. 즉, 압력전환밸브(40)는, 정지한 밸브본체에 대한 밸브디스크의 회전슬라이딩에 의하여 고압밸브(40a)와 저압밸브(40b)가 교대로 개폐되도록 구성되어 있어도 된다. 그 경우, 팽창기모터(42)가 압력전환밸브(40)의 밸브디스크를 회전시키도록 압력전환밸브(40)에 연결되어 있어도 된다. 예를 들면, 압력전환밸브(40)는, 밸브회전축이 팽창기모터(42)의 회전축과 동축이 되도록 배치된다.

혹은, 고압밸브(40a)와 저압밸브(40b)는 각각 개별적으로 제어 가능한 밸브여도 되고, 그 경우, 압력전환밸브(40)는, 팽창기모터(42)에 연결되어 있지 않아도 된다.

팽창기모터(42)는, 예를 들면 스코치요크기구 등의 운동변환기구(43)를 개재하여 디스플레이서구동축(44)에 연결되어 있다. 팽창기모터(42)는, 냉동기하우징(20)에 장착되어 있다. 운동변환기구(43)는, 압력전환밸브(40)와 동일하게, 냉동기하우징(20)에 수용되어 있다. 운동변환기구(43)는, 팽창기모터(42)가 출력하는 회전운동을 디스플레이서구동축(44)의 직선왕복운동으로 변환한다. 디스플레이서구동축(44)은, 운동변환기구(43)로부터 실온실(30) 내로 뻗으며, 제1 디스플레이서(18a)의 상덮개부에 고정되어 있다. 팽창기모터(42)의 회전은 운동변환기구(43)에 의하여 디스플레이서구동축(44)의 축방향 왕복이동으로 변환되고, 디스플레이서조립체(18)는 냉동기실린더(16) 내를 축방향으로 직선적으로 왕복한다.

또, 팽창기(14)는, 제2 냉각스테이지(35)(및/또는 제1 냉각스테이지(33))의 온도를 측정하여, 측정온도를 나타내는 측정온도신호를 출력하는 온도센서(46)를 구비해도 된다.

압축기(12)는, 고압가스출구(50), 저압가스입구(51), 고압유로(52), 저압유로(53), 제1 압력센서(54), 제2 압력센서(55), 바이패스라인(56), 압축기본체(57), 및 압축기케이스(58)를 구비한다. 고압가스출구(50)는, 압축기(12)의 작동가스토출포트로서 압축기케이스(58)에 설치되고, 저압가스입구(51)는, 압축기(12)의 작동가스흡입포트로서 압축기케이스(58)에 설치되어 있다. 고압유로(52)는, 압축기본체(57)의 토출구를 고압가스출구(50)에 접속하고, 저압유로(53)는, 저압가스입구(51)를 압축기본체(57)의 흡입구에 접속한다. 압축기케이스(58)는, 고압유로(52), 저압유로(53), 제1 압력센서(54), 제2 압력센서(55), 바이패스라인(56), 및 압축기본체(57)를 수용한다. 압축기(12)는, 압축기유닛이라고도 칭해진다.

압축기본체(57)는, 그 흡입구로부터 흡입되는 작동가스를 내부에서 압축하여 토출구로부터 토출하도록 구성되어 있다. 압축기본체(57)는, 예를 들면, 스크롤방식, 로타리식, 또는 작동가스를 승압하는 그 외의 펌프여도 된다. 그 실시형태에서는, 압축기본체(57)는, 고정된 일정의 작동가스유량을 토출하도록 구성되어 있다. 혹은, 압축기본체(57)는, 토출하는 작동가스유량을 가변으로 하도록 구성되어 있어도 된다. 압축기본체(57)는, 압축캡슐이라고 칭해지는 경우도 있다.

제1 압력센서(54)는, 고압유로(52)를 흐르는 작동가스의 압력을 측정하도록 고압유로(52)에 배치되어 있다. 제1 압력센서(54)는, 측정된 압력을 나타내는 제1 측정압신호(PH)를 출력하도록 구성되어 있다. 제2 압력센서(55)는, 저압유로(53)를 흐르는 작동가스의 압력을 측정하도록 저압유로(53)에 배치되어 있다. 제2 압력센서(55)는, 측정된 압력을 나타내는 제2 측정압신호(PL)를 출력하도록 구성되어 있다. 따라서 제1 압력센서(54), 제2 압력센서(55)는 각각, 고압센서, 저압센서라고 부를 수도 있다. 또 본서에서는, 제1 압력센서(54)와 제2 압력센서(55) 중 어느 하나를 가리키거나, 또는 양방을 총칭하여, 간단히 "압력센서"라고 표기하는 경우도 있다.

바이패스라인(56)은, 팽창기(14)를 우회하여 고압유로(52)로부터 저압유로(53)로 작동가스를 환류시키도록 고압유로(52)를 저압유로(53)에 접속한다. 바이패스라인(56)에는, 바이패스라인(56)을 개폐하거나, 또는 바이패스라인(56)을 흐르는 작동가스의 유량을 제어하기 위한 릴리프밸브(60)가 마련되어 있다. 릴리프밸브(60)는, 그 출입구 사이에 설정압 이상의 차압이 작용할 때 개방하도록 구성되어 있다. 릴리프밸브(60)는, 온오프밸브 또는 유량제어밸브여도 되고, 예를 들면 전자밸브여도 된다. 설정압은, 설계자의 경험적 지견 또는 설계자에 의한 실험이나 시뮬레이션 등에 근거하여 적절히 설정하는 것이 가능하다. 이로써, 고압라인(63)과 저압라인(64)의 차압이 이 설정압을 초과하여 과대가 되는 것을 방지할 수 있다. 또, 고압라인(63)의 압력이 과대가 되는 것을 방지할 수 있다.

릴리프밸브(60)는, 이른바 안전밸브로서 작동하도록 구성되어 있어도 되고, 즉, 출입구 사이에 설정압 이상의 차압이 작용할 때 기계적으로 개방되어도 된다. 혹은, 릴리프밸브(60)는, 제어장치(100)에 의한 제어에 의하여 개폐되어도 된다. 제어장치(100)는, 측정되는 고압라인(63)과 저압라인(64)의 차압을 설정압과 비교하여, 측정차압이 설정압 이상인 경우에 릴리프밸브(60)를 개방하고, 측정차압이 설정차압 미만인 경우에 릴리프밸브(60)를 폐쇄하도록 릴리프밸브(60)를 제어해도 된다. 제어장치(100)는, 고압라인(63)과 저압라인(64)의 측정차압을, 제1 압력센서(54)로부터의 제1 측정압신호(PH)와 제2 압력센서(55)로부터의 제2 측정압신호(PL)에 근거하여 취득해도 된다. 다른 예로서, 제어장치(100)는, 제1 측정압신호(PH)에 근거하여 고압라인(63)의 측정압력을 상한압과 비교하여, 측정압력이 상한압 이상인 경우에 릴리프밸브(60)를 개방하고, 측정압력이 상한압 미만인 경우에 릴리프밸브(60)를 폐쇄하도록 릴리프밸브(60)를 제어해도 된다.

다만, 압축기(12)는, 그 외 다양한 구성요소를 가질 수 있다. 예를 들면, 고압유로(52)에는, 오일세퍼레이터, 어드소버 등이 마련되어 있어도 된다. 저압유로(53)에는, 스토리지탱크 외의 구성요소가 마련되어 있어도 된다. 또, 압축기(12)에는, 압축기본체(57)를 오일로 냉각하는 오일순환계나, 오일을 냉각하는 냉각계 등이 마련되어 있어도 된다.

또, 극저온냉동기(10)는, 압축기(12)와 팽창기(14)의 사이에서 작동가스를 순환시키는 가스라인(62)을 구비한다. 가스라인(62)은, 압축기(12)로부터 팽창기(14)에 작동가스를 공급하도록 압축기(12)를 팽창기(14)에 접속하는 고압라인(63)과, 팽창기(14)로부터 압축기(12)에 작동가스를 회수하도록 압축기(12)를 팽창기(14)에 접속하는 저압라인(64)을 구비한다. 팽창기(14)의 냉동기하우징(20)에는 고압가스입구(22)와 저압가스출구(24)가 마련되어 있다. 고압가스입구(22)는, 고압배관(65)에 의하여 고압가스출구(50)에 접속되고, 저압가스출구(24)는, 저압배관(66)에 의하여 저압가스입구(51)에 접속되어 있다. 고압라인(63)은, 고압배관(65)과 고압유로(52)로 이루어지고, 저압라인(64)은, 저압배관(66)과 저압유로(53)로 이루어진다. 바이패스라인(56)은, 가스라인(62)의 일부라고 간주되어도 된다. 바이패스라인(56)은, 팽창기(14)를 우회하여 고압라인(63)으로부터 저압라인(64)으로 작동가스를 환류시키도록 고압라인(63)을 저압라인(64)에 접속한다.

따라서, 팽창기(14)로부터 압축기(12)에 회수되는 작동가스는, 팽창기(14)의 저압가스출구(24)로부터 저압배관(66)을 통하여 압축기(12)의 저압가스입구(51)에 들어가, 저압유로(53)를 더 거쳐 압축기본체(57)로 되돌아와, 압축기본체(57)에 의하여 압축되어 승압된다. 압축기(12)로부터 팽창기(14)에 공급되는 작동가스는, 압축기본체(57)로부터 고압유로(52)를 통하여 압축기(12)의 고압가스출구(50)로부터 나오고, 고압배관(65)과 팽창기(14)의 고압가스입구(22)를 거쳐 팽창기(14)에 더 공급된다.

또한, 극저온냉동기(10)는, 버퍼용적(70)과 공급밸브(72)와 회수밸브(74)를 구비한다. 버퍼용적(70)은, 작동가스를 저류하는 용적이며, 예를 들면 버퍼탱크여도 된다. 공급밸브(72)는, 버퍼용적(70)을 저압라인(64)에 접속하고, 회수밸브(74)는, 버퍼용적(70)을 고압라인(63)에 접속한다. 공급밸브(72)와 회수밸브(74)는, 온오프밸브 또는 유량제어밸브여도 되고, 예를 들면 전자밸브여도 된다.

버퍼용적(70)의 압력은, 극저온냉동기(10)가 운전정지하고 있을 때는, 극저온냉동기(10)로의 작동가스의 봉입압이 된다. 극저온냉동기(10)가 운전하고 있을 때에는(예를 들면, 초기냉각이나 정상운전 동안), 버퍼용적(70)의 압력은, 고압라인(63)의 압력과 저압라인(64)의 압력의 중간의 압력(예를 들면, 고압과 저압의 평균압)이 된다.

따라서, 극저온냉동기(10)의 운전 중, 공급밸브(72)가 개방되면, 버퍼용적(70)으로부터 공급밸브(72)를 통하여 저압라인(64)으로 작동가스가 공급된다. 공급밸브(72)가 폐쇄되면, 버퍼용적(70)으로부터 저압라인(64)으로의 작동가스의 공급은 정지된다. 또, 회수밸브(74)가 개방되면, 고압라인(63)으로부터 회수밸브(74)를 통하여 버퍼용적(70)에 작동가스가 회수된다. 회수밸브(74)가 폐쇄되면, 고압라인(63)으로부터 버퍼용적(70)으로의 작동가스의 회수는 정지된다. 이와 같이 하여, 공급밸브(72)와 회수밸브(74)를 개폐함으로써, 가스라인(62)을 순환하는 작동가스의 양을 조정할 수 있고, 그 결과적으로, 고압라인(63)과 저압라인(64) 각각의 압력도 제어될 수 있다.

도 1에 나타나는 바와 같이, 극저온냉동기(10)를 제어하는 제어장치(100)는, 공급밸브(72) 및 회수밸브(74)를 제어하는 컨트롤러(110)를 구비한다. 컨트롤러(110)는, 제1 측정압신호(PH) 및 제2 측정압신호(PL)를 취득하도록 제1 압력센서(54) 및 제2 압력센서(55)와 전기적으로 접속되어 있다. 후술하는 바와 같이, 컨트롤러(110)는, 제1 압력센서(54)로부터 제1 측정압신호(PH)를 받아, 제1 측정압신호(PH)가 나타내는 고압라인(63)의 측정압력에 근거하여 공급밸브(72) 및 회수밸브(74)를 개폐하도록 구성되어 있다. 또, 컨트롤러(110)는, 온도센서(46)로부터의 측정온도신호를 취득하도록 온도센서(46)와 전기적으로 접속되어 있다.

도시되는 예에서는, 제어장치(100)는, 압축기(12) 및 팽창기(14)와는 별도로 마련되고 이들과 접속되어 있지만, 그에 한정되지 않는다. 제어장치(100)는, 압축기(12)에 탑재되어도 된다. 제어장치(100)는, 팽창기모터(42)에 탑재되는 등, 팽창기(14)에 마련되어도 된다. 컨트롤러(110)는, 공급밸브(72)에, 또는 회수밸브(74)에, 또는 공급밸브(72)와 회수밸브(74) 각각에 마련되어도 된다.

제어장치(100)는, 하드웨어구성으로서는 컴퓨터의 CPU나 메모리를 비롯한 소자나 회로로 실현되고, 소프트웨어구성으로서는 컴퓨터프로그램 등에 의하여 실현되지만, 도 1에서는 적절히, 그들의 연계에 의하여 실현되는 기능블록으로서 그리고 있다. 이들 기능블록은 하드웨어, 소프트웨어의 조합에 의하여 다양한 형태로 실현할 수 있는 것은, 당업자에게는 이해되는 바이다.

극저온냉동기(10)는, 압축기(12) 및 팽창기모터(42)가 운전될 때, 제1 팽창실(32) 및 제2 팽창실(34)에 있어서 주기적인 용적변동과 이것에 동기한 작동가스의 압력변동을 발생시킨다. 전형적으로는, 흡기공정에 있어서는, 저압밸브(40b)가 폐쇄되고 고압밸브(40a)가 개방됨으로써, 고압의 작동가스가 압축기(12)로부터 고압밸브(40a)를 통하여 실온실(30)에 유입되어, 제1 축랭기(26)를 통하여 제1 팽창실(32)에 공급되고, 제2 축랭기(28)를 통하여 제2 팽창실(34)에 공급된다. 이렇게 하여, 제1 팽창실(32), 제2 팽창실(34)은 저압으로부터 고압으로 승압된다. 이때, 디스플레이서조립체(18)가 하사점으로부터 상사점으로 상동되어 제1 팽창실(32)과 제2 팽창실(34)의 용적이 증가된다. 고압밸브(40a)가 폐쇄되면 흡기공정은 종료된다.

배기공정에 있어서는, 고압밸브(40a)가 폐쇄되고 저압밸브(40b)가 개방됨으로써, 고압의 제1 팽창실(32), 제2 팽창실(34)이 압축기(12)의 저압의 작동가스흡입구에 개방되므로, 작동가스가 제1 팽창실(32), 제2 팽창실(34)에서 팽창되고, 그 결과 저압이 된 작동가스가 제1 팽창실(32), 제2 팽창실(34)로부터 제1 축랭기(26), 제2 축랭기(28)를 통하여 실온실(30)로 배출된다. 이때, 디스플레이서조립체(18)가 상사점으로부터 하사점으로 하동되어 제1 팽창실(32)과 제2 팽창실(34)의 용적이 감소된다. 작동가스는 팽창기(14)로부터 저압밸브(40b)를 통하여 압축기(12)에 회수된다. 저압밸브(40b)가 폐쇄되면 배기공정은 종료된다.

이와 같이 하여, 예를 들면 GM사이클 등의 냉동사이클이 구성되고, 제1 냉각스테이지(33) 및 제2 냉각스테이지(35)가 원하는 극저온으로 냉각된다. 제1 냉각스테이지(33)는, 예를 들면 약 20K~약 40K의 범위에 있는 제1 냉각온도로 냉각될 수 있다. 제2 냉각스테이지(35)는, 제1 냉각온도보다 낮은 제2 냉각온도(예를 들면, 약 1K~ 약 4K)로 냉각될 수 있다.

극저온냉동기(10)는, 초기냉각과, 초기냉각에 후속하는 정상운전을 실행 가능하다. 초기냉각은, 극저온냉동기(10)의 기동 시에, 초기온도로부터 극저온으로 급속히 냉각하는 팽창기(14)의 운전모드이며, 정상운전은, 초기냉각에 의하여 극저온으로 냉각된 상태를 유지하는 팽창기(14)의 운전모드이다. 초기온도는, 주위온도(예를 들면 실온)여도 된다. 팽창기(14)는, 초기냉각에 의하여 표준냉각온도로 냉각되고, 정상운전에서는 이 표준냉각온도를 포함하는 극저온의 허용온도범위 내로 유지된다. 표준냉각온도는, 극저온냉동기(10)의 용도와 설정에 따라 상이하지만, 예를 들면 초전도장치의 냉각용도에서는 전형적으로, 약 4.2K 이하이다. 어느 다른 냉각용도에서는, 표준냉각온도는, 예를 들면 약 10K~20K, 또는 10K 이하여도 된다. 초기냉각은, 상술한 바와 같이, 쿨다운이라고 부를 수도 있다.

그런데, 초기냉각 시, 초기온도로부터 극저온으로의 강온(降溫)에 따라, 팽창기(14) 내에서 작동가스의 밀도가 증가한다. 이에 따라, 팽창기(14) 내에 저류하는 작동가스의 양이 증가하고, 말하자면, 작동가스가 가스라인(62)으로부터 팽창기(14)에 흡수되어 간다. 그 결과, 팽창기(14)의 냉각이 진행됨과 함께, 가스라인(62)을 순환하는 작동가스의 압력이 서서히 저하된다. 작동가스의 압력저하는 극저온냉동기(10)의 냉동능력의 저하를 야기하기 때문에, 초기냉각에 걸리는 시간을 길게 하는 요인이 될 것이 염려된다. 초기냉각은 극저온냉동기에 의하여 대상물의 냉각을 시작하기 위한 준비에 지나지 않기 때문에, 그 소요시간은 가능한 한 짧은 것이 바람직하다.

이와 같은 문제에 대처하기 위하여, 이 실시형태에서는, 컨트롤러(110)는, 초기냉각 도중에, 제1 압력센서(54)에 의하여 측정된 고압라인(63)의 압력에 근거하여, 고압라인(63)의 압력을 미리 설정한 적정압력범위로 유지하도록 공급밸브(72)를 제어한다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(110)는, 초기냉각 도중에, 측정된 고압라인(63)의 압력을 적정압력범위의 하한값 Pc와 비교하여, 고압라인(63)의 압력이 하한값 Pc를 하회하지 않게 공급밸브(72)의 개폐를 반복하도록 공급밸브(72)를 동작시켜도 된다.

또, 이 실시형태에서는, 컨트롤러(110)는, 초기냉각 도중에, 제1 압력센서(54)에 의하여 측정된 고압라인(63)의 압력에 근거하여, 고압라인(63)의 압력을 적정압력범위로 유지하도록 회수밸브(74)를 제어한다. 보다 구체적으로는, 컨트롤러(110)는, 초기냉각 도중에, 측정된 고압라인(63)의 압력을 적정압력범위의 상한값 Pd와 비교하여, 고압라인(63)의 압력이 상한값 Pd를 초과하지 않게 회수밸브(74)의 개폐를 반복하도록 회수밸브(74)를 동작시켜도 된다.

도 3은, 실시형태에 관한 극저온냉동기(10)의 제어방법을 설명하는 플로차트이다. 본 방법은, 극저온냉동기(10)의 초기냉각에 있어서 컨트롤러(110)에 의하여 소정 주기로 반복하여 실행된다. 다만 본 방법은, 초기냉각 도중뿐만 아니라, 극저온냉동기(10)의 정상운전에 있어서도 계속하여 실행되어도 된다.

먼저, 고압라인(63)의 압력이 측정된다(S10). 제1 압력센서(54)는, 고압라인(63)의 압력을 측정하여, 측정된 고압라인(63)의 압력을 나타내는 제1 측정압신호(PH)를 출력한다. 컨트롤러(110)는, 제1 측정압신호(PH)를 받아, 고압라인의 측정압력을 취득한다.

다음으로, 측정된 고압라인(63)의 압력이, 적정압력범위와 비교된다(S12). 적정압력범위의 하한값 Pc는, 극저온냉동기(10)가 충분한 냉동능력을 제공하도록 설정된다. 적정압력범위의 상한값 Pd는, 고압라인(63)에 과도한 압력을 발생시키지 않도록 설정된다. 적정압력범위의 상한값 Pd는, 릴리프밸브(60)가 개방되는 상술한 설정압보다 작은 압력값으로 설정되어도 된다. 적정압력범위는, 설계자의 경험적 지견 또는 설계자에 의한 실험이나 시뮬레이션 등에 근거하여 적절히 설정하는 것이 가능하다. 적정압력범위는, 극저온냉동기(10)의 초기설정으로서 컨트롤러(110)에 미리 저장되어 있어도 되고, 또는 극저온냉동기(10)의 운전 전에 유저에 의하여 컨트롤러(110)에 설정되어도 된다.

일례로서, 적정압력범위의 상한값 Pd와 하한값 Pc는, 예를 들면, 2MPa로부터 3MPa의 범위, 또는 2.1MPa로부터 2.7MPa의 범위로부터 선택되어도 된다. 적정압력범위의 폭, 즉 적정압력범위의 상한값 Pd와 하한값 Pc의 차는, 예를 들면, 0.5MPa 이내, 또는 0.3MPa 이내, 또는 0.1MPa 이내의 어느 값으로 설정되어도 된다. 예를 들면, 적정압력범위는, 2.45±0.05MPa로 설정되어도 되고, 이 경우 적정압력범위의 폭이 0.1MPa, 상한값 Pd가 2.5MPa, 하한값 Pc가 2.4MPa이 된다.

컨트롤러(110)는, 고압라인(63)의 측정압력을 적정압력범위의 하한값 Pc와 비교하여, 고압라인(63)의 측정압력이 하한값 Pc를 하회하는 경우에(PH<Pc), 공급밸브(72)를 개방한다(S14). 이로써, 버퍼용적(70)으로부터 공급밸브(72)를 통하여 저압라인(64)으로 작동가스가 공급된다. 가스라인(62)을 순환하는 작동가스의 양이 증가하므로, 고압라인(63)의 압력이 회복된다.

컨트롤러(110)는, 고압라인(63)의 측정압력이 적정압력범위로 회복되었을 때, 공급밸브(72)를 폐쇄한다(S16). 예를 들면, 컨트롤러(110)는, 고압라인(63)의 측정압력을 적정압력범위의 하한값 Pc와 비교하여, 고압라인(63)의 측정압력이 하한값 Pc를 상회하는 경우에(PH>Pc, 또는 Ph≥Pc), 공급밸브(72)를 폐쇄해도 된다. 공급밸브(72)가 폐쇄되면, 버퍼용적(70)으로부터 저압라인(64)으로의 작동가스의 공급은 정지된다. 이렇게 하여, 본 방법은 종료되고, 다음 번의 제어주기에 다시 실행된다.

다만, 공급밸브(72)를 폐쇄하는 압력임계값은, 적정압력범위의 하한값 Pc와 상이해도 되고, 예를 들면, 하한값 Pc보다 커도 된다. 이 압력임계값은, 적정압력범위의 상한값 Pd를 초과하지 않도록 설정되어도 된다. 예를 들면, 압력임계값은, 적정압력범위의 폭(상한값 Pd-하한값 Pc)의 소정 비율을 하한값 Pc에 더한 값이어도 된다. 소정 비율은 예를 들면 50% 이하, 30% 이하, 또는 10% 이하의 비율이어도 된다.

도 4는, 실시형태에 관한 극저온냉동기(10)의 제어방법을 설명하는 플로차트이다. 본 방법은, 극저온냉동기(10)의 초기냉각에 있어서 컨트롤러(110)에 의하여 소정 주기로 반복하여 실행된다. 본 방법은, 도 3에 나타나는 방법과 병행하여 실행되어도 된다. 다만 본 방법은, 초기냉각 도중뿐만 아니라, 극저온냉동기(10)의 정상운전에 있어서도 계속하여 실행되어도 된다.

먼저, 고압라인(63)의 압력이 제1 압력센서(54)를 사용하여 측정된다(S20). 컨트롤러(110)는, 제1 압력센서(54)로부터 제1 측정압신호(PH)를 받아, 고압라인의 측정압력을 취득한다.

다음으로, 측정된 고압라인(63)의 압력이, 적정압력범위와 비교된다(S22). 컨트롤러(110)는, 고압라인(63)의 측정압력을 적정압력범위의 상한값 Pd와 비교하여, 고압라인(63)의 측정압력이 상한값 Pd를 상회하는 경우에(PH>Pd), 회수밸브(74)를 개방한다(S24). 이로써, 고압라인(63)으로부터 회수밸브(74)를 통하여 버퍼용적(70)에 작동가스가 회수되어, 고압라인(63)의 압력이 저하된다.

컨트롤러(110)는, 고압라인(63)의 측정압력이 적정압력범위로 회복되었을 때, 회수밸브(74)를 폐쇄한다(S26). 예를 들면, 컨트롤러(110)는, 고압라인(63)의 측정압력을 적정압력범위의 상한값 Pd와 비교하여, 고압라인(63)의 측정압력이 상한값 Pd를 하회하는 경우에(PH<Pd, 또는 PH≤Pd), 회수밸브(74)를 폐쇄해도 된다. 회수밸브(74)가 폐쇄되면, 고압라인(63)으로부터 버퍼용적(70)으로의 작동가스의 회수는 정지된다. 이렇게 하여, 본 방법은 종료되고, 다음 번의 제어주기에 다시 실행된다.

다만, 회수밸브(74)를 폐쇄하는 압력임계값은, 적정압력범위의 상한값 Pd와 상이해도 되고, 예를 들면, 상한값 Pd보다 작아도 된다. 이 압력임계값은, 적정압력범위로부터 선택되고, 즉 적정압력범위의 하한값 Pc보다 커도 된다.

적정압력범위는, 극저온냉동기(10)의 운전 중에 변경되어도 된다. 예를 들면, 초기냉각에서의 적정압력범위는, 정상운전에서의 적정압력범위와 상이해도 되고, 예를 들면, 정상운전에서의 적정압력범위보다 높아도 된다. 예를 들면, 초기냉각에서의 하한값 Pc가 정상운전에서의 하한값 Pc보다 높거나, 및/또는, 초기냉각에서의 상한값 Pd가 정상운전에서의 상한값 Pd보다 높아도 된다.

이 경우, 초기냉각으로부터 정상운전으로의 전환, 및 적정압력범위의 변경은, 제어장치(100)에 의하여 제어되어도 된다. 예를 들면, 제어장치(100)는, 온도센서(46)로부터의 측정온도신호에 근거하여, 제2 냉각스테이지(35)(및/또는 제1 냉각스테이지(33))의 측정온도를 상술한 표준냉각온도와 비교하여, 측정온도가 표준냉각온도보다 높은 경우에는 초기냉각을 실행하고, 측정온도가 표준냉각온도 이하인 경우에는 초기냉각으로부터 정상운전으로 이행해도 된다. 초기냉각으로부터 정상운전으로의 이행에 따라, 컨트롤러(110)가 적정압력범위를 변경해도 된다.

또, 도 7 및 도 8을 참조하여 후술하는 바와 같이, 초기냉각으로부터 정상운전으로의 전환, 및 적정압력범위의 변경은, 버퍼용적(70)의 압력에 근거하여, 또는 고압라인(63)과 저압라인(64)의 차압에 근거하여, 행해져도 된다. 이와 같이 하면, 제어장치(100)는, 온도센서(46)에 의존하지 않고, 극저온냉동기(10)의 초기냉각을 완료할 수 있다.

여기에서, 버퍼용적(70)으로부터의 작동가스공급을 확실하게 하기 위하여, 버퍼용적(70)에 요망되는 조건을 고려한다. 이상기체(理想氣體)의 상태방정식으로부터, 극저온냉동기(10)의 운전정지 중(즉 초기냉각 전)에는,

PI(VH+VL+VB)=nRT (1)이 성립된다.

여기에서, PI(MPa)는, 온도 T(K)에서의 극저온냉동기(10)의 작동가스봉입압, VH(L)는 고압라인(63)의 용적, VL(L)은 저압라인(64)의 용적, VB(L)는 버퍼용적(70)의 용적, n(mol)은 극저온냉동기(10) 내의 작동가스량, R은 기체상수를 나타낸다.

동일하게 하여, 극저온냉동기(10)의 정상운전 중에는,

PHVH+PLVL+PBVB=nRT (2)가 성립된다.

여기에서, PH(MPa)는 온도 T에서의 정상운전에 있어서의 고압라인(63)의 압력, PL(MPa)은 온도 T에서의 정상운전에서의 저압라인(64)의 압력, PB(MPa)는 온도 T에서의 정상운전에서의 버퍼용적(70)의 압력을 나타낸다.

식 (1) 및 (2)로부터,

PI(VH+VL+VB)=PHVH+PLVL+PBVB (3)이 된다.

극저온냉동기(10)의 운전 중의 임의의 타이밍에 버퍼용적(70)으로부터 저압라인(64)에 작동가스를 공급하려면, 극저온냉동기(10)의 초기온도로부터 극저온까지의 온도범위에 있어서의 임의의 온도 T에 대하여,

PL≤PB (4)를 충족시켜야 한다.

식 (3)을 PB에 대하여 풀고, 식 (4)에 대입하면, 이하의 관계가 얻어진다.

VB≥VH(PH-PI)/(PI-PL)-VL (5)

따라서, 버퍼용적(70)으로부터 저압라인(64)으로의 작동가스공급을 확실하게 하려면, 초기온도로부터 극저온까지의 온도범위에 있어서의 임의의 온도에 대하여, 버퍼용적(70)이 식 (5)를 충족시키는 것이 바람직하다.

동일하게 하여, 버퍼용적(70)으로의 가스회수를 확실하게 하기 위하여, 버퍼용적(70)에 요망되는 조건을 고려한다. 이 경우, 극저온냉동기(10)의 운전 중의 임의의 타이밍에 버퍼용적(70)으로부터 고압라인(63)에 작동가스를 공급하려면, 극저온냉동기(10)의 초기온도로부터 극저온까지의 온도범위에 있어서의 임의의 온도 T에 대하여,

PB≤PH (6)을 충족시켜야 한다.

식 (3)을 PB에 대하여 풀고, 식 (6)에 대입하면, 이하의 관계가 얻어진다.

VB≥-VH+VL(PI-PL)/(PH-PI) (7)

따라서, 고압라인(63)으로부터 버퍼용적(70)으로의 작동가스회수를 확실하게 하려면, 초기온도로부터 극저온까지의 온도범위에 있어서의 임의의 온도에 대하여, 버퍼용적(70)이 식 (7)을 충족시키는 것이 바람직하다.

도 5는, 실시형태에 관하여, 극저온냉동기(10)의 운전 중의 온도와 압력의 시간변화의 일례를 나타내는 그래프이다. 도시되는 압력변화는, 실험에 의하여 취득한 것이며, 도 5의 상부에는, 제1 압력센서(54)에 의하여 측정된 고압라인(63)의 압력 PH와 제2 압력센서(55)에 의하여 측정된 저압라인(64)의 압력 PL이 나타난다. 도 5의 하부에는, 제1 냉각스테이지(33)의 온도 T1과 제2 냉각스테이지(35)의 온도 T2가 나타난다. 가로축은 시간을 나타낸다.

극저온냉동기(10)의 기동 전(시각 0)에는, 고압라인(63)의 압력 PH와 저압라인(64)의 압력 PL은 함께 봉입압 PI이며, 제1 냉각스테이지(33)의 온도 T1과 제2 냉각스테이지(35)의 온도 T2는 함께 실온(약 300K)이다. 극저온냉동기(10)가 기동되어, 초기냉각이 개시되면, 압축기(12)와 팽창기(14)가 작동하여, 고압라인(63)의 압력 PH는 봉입압 PI로부터 증가하고, 저압라인(64)의 압력 PL은 봉입압 PI로부터 저하된다. 초기냉각에 의하여 제1 냉각스테이지(33)의 온도 T1과 제2 냉각스테이지(35)의 온도 T2는 저하되어 간다. 제1 냉각스테이지(33)와 제2 냉각스테이지(35)가 각각 상술한 표준냉각온도까지 냉각되면(예를 들면, T1≤30K, T2≤4K), 초기냉각은 완료되어, 정상운전으로 이행한다.

도 6의 (A)는, 도 5에 나타나는 A부를 확대하여 모식적으로 나타내고, 도 6의 (B)는, 도 5에 나타나는 B부를 확대하여 모식적으로 나타낸다. 도 6의 (A)에는, 초기냉각의 개시 직후의 고압라인(63)의 압력 PH가 회수밸브(74)의 개폐상태와 함께 나타나고, 도 6의 (B)에는, A부보다 후의 고압라인(63)의 압력 PH가 공급밸브(72)의 개폐상태와 함께 나타난다.

도 6의 (A)에 나타나는 바와 같이, 고압라인(63)의 압력 PH가 적정압력범위의 상한값 Pd를 초과하면, 회수밸브(74)가 개방된다. 고압라인(63)으로부터 회수밸브(74)를 통하여 버퍼용적(70)에 작동가스가 회수되므로, 고압라인(63)의 압력 PH는 저하된다. 고압라인(63)의 압력 PH가 상한압 Pd를 하회하면, 회수밸브(74)는 폐쇄된다. 이와 같이 하여, 고압라인(63)의 과도한 승압을 피할 수 있다. 과도한 승압에 의한 압축기(12)의 긴급정지의 리스크는 저감된다. 또, 작동가스의 회수에 의하여 버퍼용적(70)이 승압되므로, 버퍼용적(70)으로부터 저압라인(64)으로의 작동가스공급에 유효이용할 수 있다.

도 6의 (B)에 나타나는 바와 같이, 고압라인(63)의 압력 PH가 적정압력범위의 하한값 Pc를 하회하면, 공급밸브(72)가 개방된다. 버퍼용적(70)으로부터 공급밸브(72)를 통하여 저압라인(64)으로 작동가스가 공급된다. 가스라인(62)을 순환하는 작동가스의 양이 증가하므로, 고압라인(63)의 압력이 회복된다. 이렇게 하여 고압라인(63)의 압력 PH가 하한값 Pc를 초과하면, 공급밸브(72)는 폐쇄된다.

상술한 바와 같이, 초기냉각 중의 팽창기(14)의 온도저하에 의하여 팽창기(14) 내에서 작동가스의 밀도가 증가하고, 이것은 고압라인(63)의 압력 PH를 저하시키는 효과를 야기한다. 그 때문에, 고압라인(63)의 압력 PH는 한 번 회복되어도, 하한값 Pc를 다시 하회한다. 다시 공급밸브(72)가 개방되어, 고압라인(63)의 압력이 회복되고, 공급밸브(72)는 폐쇄된다. 이와 같이 하여, 공급밸브(72)는, 고압라인(63)의 압력 PH를 적정압력범위로 유지하게 개폐를 반복하도록 동작한다.

만일, 초기냉각 도중에 작동가스가 가스라인(62)에 공급되지 않으면, 팽창기(14)의 온도저하에 의하여 고압라인(63)의 압력 PH는 현저하게 저하될 수 있다. 극저온냉동기(10)의 냉동능력은 고압라인(63)의 압력 PH에 상관되기 때문에, 초기냉각이 진행됨에 따라 극저온냉동기(10)의 냉동능력이 저하될 수 있다. 이것은, 초기냉각에 걸리는 시간을 길게 하는 요인이 될 수 있다.

이에 대하여, 실시형태에 의하면, 초기냉각 도중에 공급밸브(72)를 제어함으로써 고압라인(63)의 압력 PH를 적정압력범위로 유지할 수 있다. 따라서, 극저온냉동기(10)의 냉동능력을 적정하게 유지할 수 있어, 초기냉각시간의 증가를 억제할 수 있다. 또, 고압라인(63)의 압력 PH를 대체로 일정하게 유지함으로써, 극저온냉동기(10)는, 안정적인 냉동능력을 제공할 수 있다.

이 실시형태에서는, 바이패스라인(56) 및 릴리프밸브(60)가 마련되어 있기 때문에, 고압라인(63)의 압력 PH가 증가할 때 바이패스라인(56)을 통하여 고압라인(63)으로부터 저압라인(64)에 작동가스를 빼냄으로써 과도한 승압을 억제할 수도 있다. 그러나, 이러한 바이패스흐름은, 압축기(12)로부터 팽창기(14)에 공급되는 작동가스의 유량을 줄이기 때문에, 극저온냉동기(10)의 냉동능력저하를 야기할 수 있다. 그런데, 이 실시형태는, 버퍼용적(70)을 이용하여 고압라인(63)의 압력 PH를 적정압력범위로 유지할 수 있으므로, 바이패스흐름에 의존할 필요가 없어, 유리하다.

고압라인(63)의 압력 PH를 적정압력범위로 유지하기 위하여, 저압라인(64)의 압력에 근거하여 공급밸브(72)와 회수밸브(74)를 제어하는 방법도 생각된다. 저압라인(64)의 압력은, 팽창기(14)의 냉각온도의 영향을 받는다(냉각온도에 의하여 변동된다). 그 때문에, 저압라인(64)의 적정압력범위, 즉 공급밸브(72)와 회수밸브(74)를 개폐하기 위한 저압라인(64)의 압력임계값은, 냉각온도에 따라 상이한 값으로 정하는 것이 실용상 필수가 되어, 제어의 설계가 번잡해진다. 또, 저압라인(64)이 적정압력범위에 있다고 해도, 냉각온도에 따라서는, 고압라인(63)의 압력이 과도하게 높아지는 케이스도 있을 수 있다. 따라서, 실시형태와 같이 고압라인(63)의 압력에 근거하는 방법은, 이와 같은 부적합이 완화 또는 방지되는 점에서 유리하다.

도 7은, 실시형태에 관하여, 극저온냉동기(10)의 운전 중의 온도와 압력의 변화의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 8은, 실시형태에 관한 극저온냉동기(10)를 개략적으로 나타내는 도이다.

상술한 실시형태와 동일하게, 극저온냉동기(10)는, 압축기(12), 팽창기(14), 버퍼용적(70), 및 제어장치(100)를 구비한다. 컨트롤러(110)는, 초기냉각 도중에, 제1 압력센서(54)에 의하여 측정된 고압라인(63)의 압력에 근거하여, 고압라인(63)의 압력을 미리 설정한 적정압력범위로 유지하도록 공급밸브(72)를 제어한다. 또, 컨트롤러(110)는, 초기냉각 도중에, 제1 압력센서(54)에 의하여 측정된 고압라인(63)의 압력에 근거하여, 고압라인(63)의 압력을 적정압력범위로 유지하도록 회수밸브(74)를 제어한다.

극저온냉동기(10)는, 버퍼용적(70)의 압력을 측정하도록 버퍼용적(70)에 접속된 버퍼압센서(76)를 구비한다. 버퍼압센서(76)는, 제어장치(100)와 전기적으로 접속되고, 측정된 압력을 나타내는 측정버퍼압신호 PB를 제어장치(100)에 출력하도록 구성되어 있다.

도 7의 상부에는, 도 5에 나타나는 고압라인(63)의 압력 PH 및 저압라인(64)의 압력 PL에 더하여, 버퍼압센서(76)에 의하여 측정된 버퍼용적(70)의 압력 PB가 나타난다. 도 7의 하부에는, 제1 냉각스테이지(33)의 온도 T1과 제2 냉각스테이지(35)의 온도 T2가 나타난다. 도 7로부터 이해되는 바와 같이, 초기냉각의 완료에 의하여 극저온냉동기(10)가 충분히 냉각되어 제1 냉각스테이지(33)와 제2 냉각스테이지(35)의 온도가 안정되면, 고압라인(63)의 압력 PH 및 저압라인(64)의 압력 PL도 안정된다. 이때, 공급밸브(72)와 회수밸브(74)는 함께 폐쇄되고, 버퍼용적(70)은 가스라인(62)으로부터 분리된다. 그 때문에, 버퍼용적(70)의 압력 PB도 일정해진다(도 7에 나타나는 최종버퍼압 PF).

따라서, 버퍼용적(70)의 압력 PB의 안정화를 검출함으로써, 초기냉각의 완료를 판정할 수 있다. 극저온냉동기(10)의 작동가스봉입압 PI와 운전조건(예를 들면, 고압 PH, 저압 PL, 온도 T1, T2 등)이 이미 알려져 있으면, 초기냉각완료 시의 최종적인 버퍼용적(70)의 압력을 예측할 수 있다. 이 경우, 컨트롤러(110)는, 최종버퍼압의 예측값과 측정되는 버퍼용적(70)의 압력 PB를 비교하여, 비교결과에 근거하여 버퍼용적(70)의 측정압력 PB가 최종버퍼압의 예측값과 동일한지 아닌지를 판정해도 된다. 컨트롤러(110)는, 버퍼용적(70)의 측정압력 PB가 최종버퍼압의 예측값과 동일한 상태가 소정 시간(예를 들면 몇 분)에 걸쳐 계속되는 경우에, 초기냉각을 완료해도 된다.

혹은, 컨트롤러(110)는, 초기냉각 도중에 버퍼용적(70)의 측정압력 PB와 참조압력의 차를 산출하고, 산출된 압력차의 안정화를 검출함으로써, 초기냉각의 완료를 판정해도 된다. 참조압력은, 이전에 측정된 버퍼용적(70)의 압력이어도 되고, 예를 들면, 초기냉각 도중에 측정된 버퍼용적(70)의 압력의 최댓값 PM이어도 된다. 버퍼용적(70)의 압력은, 초기냉각의 개시 직후에 봉입압 PI로부터 증가하여 최댓값 PM을 취하는 것이 도 7로부터 이해된다.

컨트롤러(110)는, 산출된 압력차(즉 버퍼용적(70)의 측정압력 PB와 참조압력의 차)와 압력차목푯값을 비교하고, 비교결과에 근거하여, 산출된 압력차가 압력차목푯값과 동일한지 아닌지를 판정해도 된다. 컨트롤러(110)는, 산출된 압력차가 압력차목푯값과 동일한 상태가 소정 시간에 걸쳐 계속되는 경우에, 초기냉각을 완료해도 된다. 소정 시간은, 예를 들면 1분 이상 10분 이하의 범위로부터 선택되어도 된다. 산출된 압력차와 압력차목푯값의 차가 소정값(예를 들면 0.05MPa) 이내인 경우, 산출된 압력차가 압력차목푯값과 동일하다고 간주할 수 있다. 이 압력차목푯값은 봉입압 PI에 의존하지 않기 때문에, 봉입압 PI가 알려져 있지 않더라도 초기냉각의 완료를 판정할 수 있다.

참조압력의 다른 일례로서, 버퍼용적(70)의 측정압력 PB와 동일한 타이밍에 측정된 고압라인(63)의 압력 PH(또는 저압라인(64)의 압력 PL)가 사용되어도 된다. 컨트롤러(110)는, 버퍼용적(70)의 측정압력 PB와 고압라인(63)의 측정압력 PH(또는 저압라인(64)의 측정압력 PL)의 차를 산출하고, 산출된 압력차의 안정화를 검출함으로써, 초기냉각의 완료를 판정해도 된다. 컨트롤러(110)는, 상술한 예와 동일하게, 산출된 압력차와 압력차목푯값을 비교하여, 산출된 압력차가 압력차목푯값에 소정 시간에 걸쳐 동일한 경우에, 초기냉각을 완료해도 된다.

추가적인 대체예로서, 컨트롤러(110)는, 고압라인(63)의 측정압력 PH와 저압라인(64)의 측정압력 PL의 차를 산출하고, 산출된 압력차의 안정화를 검출함으로써, 초기냉각의 완료를 판정해도 된다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다. 일 실시형태에 관련하여 설명한 다양한 특징은, 다른 실시형태에도 적용 가능하다. 조합에 의하여 발생하는 새로운 실시형태는, 조합된 실시형태 각각의 효과를 겸비한다.

상술한 실시형태에서는, 팽창기모터(42)가 일정한 운전주파수(모터회전수)로 작동하는 경우(즉, 팽창기모터(42)가 초기냉각과 정상운전에서 동일한 운전주파수로 작동하는 경우)를 예로서 설명하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 극저온냉동기(10)는, 운전주파수를 가변으로 하는 팽창기모터(42)를 구비해도 되고, 초기냉각 도중에, 팽창기모터(42)를 정상운전에 비하여 높은 운전주파수로 작동시키는, 이른바 가속냉각을 실행해도 된다. 이 경우, 초기냉각(가속냉각)으로부터 정상운전으로의 전환, 및 운전주파수의 변경은, 도 7 및 도 8을 참조하여 상술한 바와 같이, 버퍼용적(70)의 압력에 근거하여, 또는 고압라인(63)과 저압라인(64)의 차압에 근거하여, 행해져도 된다. 가속냉각을 실행함으로써, 초기냉각시간을 더 단축할 수 있다.

제1 압력센서(54), 제2 압력센서(55) 등의 압력센서는, 압축기(12)에 마련되는 것은 필수는 아니고, 가스라인(62), 팽창기(14) 등 압력을 측정 가능한 임의의 장소에 마련되어도 된다. 예를 들면, 제1 압력센서(54)는 고압라인(63)의 임의의 장소에 마련되어도 되고, 제2 압력센서(55)는 저압라인(64)의 임의의 장소에 마련되어도 된다.

상술한 실시형태에서는, 공급밸브(72)와 회수밸브(74)는 별도의 밸브로서 준비되고, 각각이 버퍼용적(70)에 접속되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 공급밸브(72)와 회수밸브(74)는, 일체화되어 있어도 되고, 예를 들면, 버퍼용적(70)에 접속된 삼방밸브여도 된다. 삼방밸브를 바꿈으로써, 버퍼용적(70)을 저압라인(64)에 접속하는 공급상태와 버퍼용적(70)을 고압라인(63)에 접속하는 회수상태가 전환되어도 된다.

상술한 실시형태에서는, 버퍼용적(70)은, 단일의 버퍼탱크이지만, 어떤 실시형태에서는, 버퍼용적(70)은, 복수의 버퍼탱크여도 된다. 하나의 버퍼탱크가 공급밸브(72)에 의하여 저압라인(64)에 접속되고, 다른 버퍼탱크가 회수밸브(74)에 의하여 고압라인(63)에 접속되어도 된다. 또, 상술한 실시형태에서는, 버퍼용적(70)은, 압축기(12) 및 팽창기(14)의 외부에 배치되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 버퍼용적(70)은, 압축기(12) 내에 배치되어도 된다.

상술한 실시형태는, 극저온냉동기(10)가 2단식의 GM냉동기인 경우를 예로서 설명하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 극저온냉동기(10)는, 단단식 또는 다단식의 GM냉동기여도 되고, 나아가서는, 펄스관냉동기 등 그 외의 타입의 극저온냉동기여도 된다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다.

본 발명은, 극저온냉동기 및 극저온냉동기의 운전방법의 분야에 있어서의 이용이 가능하다.

10 극저온냉동기
14 팽창기
63 고압라인
64 저압라인
70 버퍼용적
72 공급밸브
74 회수밸브
76 버퍼압센서
110 컨트롤러

Claims

초기온도로부터 극저온으로 냉각하는 초기냉각과, 상기 초기냉각에 후속하여 상기 극저온을 유지하는 정상운전을 실행 가능한 팽창기와,
상기 팽창기에 접속되며, 상기 팽창기에 흡기되는 작동가스가 흐르는 고압라인과,
상기 팽창기에 접속되며, 상기 팽창기로부터 배기되는 작동가스가 흐르는 저압라인과,
상기 고압라인의 압력을 측정하는 압력센서와,
작동가스를 저류하는 버퍼용적과,
상기 버퍼용적을 상기 저압라인에 접속하는 공급밸브와,
상기 초기냉각 도중에, 상기 압력센서에 의하여 측정된 상기 고압라인의 압력에 근거하여, 상기 고압라인의 압력을 미리 설정한 적정압력범위로 유지하도록 상기 공급밸브를 제어하는 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 초기냉각 도중에, 측정된 상기 고압라인의 압력을 상기 적정압력범위의 하한값과 비교하여, 상기 고압라인의 압력이 상기 하한값을 하회하지 않게 상기 공급밸브의 개폐를 반복하도록 상기 공급밸브를 동작시키는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 버퍼용적을 VB, 상기 고압라인의 용적을 VH, 상기 저압라인의 용적을 VL, 어떤 온도에서의 작동가스봉입압을 PI, 당해 온도에서의 상기 정상운전에 있어서의 상기 고압라인의 압력을 PH, 당해 온도에서의 상기 정상운전에서의 상기 저압라인의 압력을 PL이라고 나타낼 때, 상기 초기온도로부터 상기 극저온까지의 온도범위에 있어서의 임의의 온도에 대하여, 상기 버퍼용적이, VB≥VH(PH-PI)/(PI-PL)-VL을 충족시키는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버퍼용적을 상기 고압라인에 접속하는 회수밸브를 더 구비하고,
상기 컨트롤러는, 상기 고압라인의 압력을 상기 적정압력범위로 유지하도록 상기 회수밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제4항에 있어서,
상기 버퍼용적을 VB, 상기 고압라인의 용적을 VH, 상기 저압라인의 용적을 VL, 어떤 온도에서의 작동가스봉입압을 PI, 당해 온도에서의 상기 정상운전에 있어서의 상기 고압라인의 압력을 PH, 당해 온도에서의 상기 정상운전에서의 상기 저압라인의 압력을 PL이라고 나타낼 때, 상기 초기온도로부터 상기 극저온까지의 온도범위에 있어서의 임의의 온도에 대하여, 상기 버퍼용적이, VB≥-VH+VL(PI-PL)/(PH-PI)를 충족시키는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버퍼용적의 압력을 측정하는 버퍼압센서를 더 구비하고,
상기 컨트롤러는, 상기 버퍼압센서에 의하여 측정된 상기 버퍼용적의 압력에 근거하여, 상기 초기냉각을 완료하는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
극저온냉동기의 운전방법으로서, 상기 극저온냉동기는, 팽창기와, 상기 팽창기에 접속되며, 상기 팽창기에 흡기되는 작동가스가 흐르는 고압라인과, 상기 팽창기에 접속되며, 상기 팽창기로부터 배기되는 작동가스가 흐르는 저압라인과, 상기 고압라인의 압력을 측정하는 압력센서와, 버퍼용적과, 상기 버퍼용적을 상기 저압라인에 접속하는 공급밸브를 구비하고, 상기 방법은,
상기 팽창기를 초기온도로부터 극저온으로 냉각하는 초기냉각을 실행하는 것과,
상기 초기냉각에 후속하여 상기 팽창기를 상기 극저온으로 유지하는 정상운전을 실행하는 것을 구비하며,
상기 공급밸브는, 상기 초기냉각 도중에, 상기 압력센서에 의하여 측정된 상기 고압라인의 압력에 근거하여, 상기 고압라인의 압력을 미리 설정한 적정압력범위로 유지하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 초기냉각 도중에, 상기 버퍼용적의 압력을 측정하는 것과,
측정된 상기 버퍼용적의 압력에 근거하여 상기 초기냉각을 완료하는 것을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.